Forschungsbericht 2015



Ingenieurtechnische Aspekte zum Tissue Engineering von hyalinem Knorpelgewebe (Fortsetzung)

Institut: V-1
Projektleitung: Ralf Pörtner
Stellvertretende Projektleitung: Christiane Goepfert
Mitarbeiter/innen: Christiane Goepfert
Laufzeit: 01.01.2013 — 31.05.2016
Finanzierung:Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Kooperationen:Prof. Dr. Michael Amling, UKE Hamburg

Der Antrag basiert auf dem Projekt „Ingenieurtechnische Aspekte zum Tissue Engineering von hyalinem Knorpelgewebe“ (Po 413/7-2, AM 103/11-2, BE 2245/2-2). Eigene Ergebnisse und Literaturhinweise zeigen, dass die zeitliche und örtliche Bildung von Knorpel in vitro noch nicht ausreichend verstanden ist, auch im Vergleich zu Knorpelbildung in vivo.  Im Rahmen des geplanten Projektes soll untersucht werden, inwiefern sich während der Knorpelbildung physiologische Veränderungen der Zellen (metabolische Aktivität, Genexpression, Proteinexpression) und Matrixeigenschaften (Zusammensetzung, biomechanische Eigenschaften) nachweisen, quantifizieren und zueinander in Relation bringen lassen. Insbesondere soll der Frage nachgegangen werden, ob die Ursachen hierfür in einer Veränderung im Differenzierungszustand der Zellen und/oder in einer unzureichenden Ver- und Entsorgung der Zellen zu suchen sind. Hieraus lassen sich dann Ansätze für verbesserte Kultivierungsstrategien ableiten.

Wesentliche neue Erkenntnisse werden auch aus dem Vergleich von in vitro gezüchtetem mit nativem Knorpel erwartet. Hierzu sind Untersuchungen an primären porkinen Chondrozyten aus Gelenk- und Wachstumsfugenknorpel, an Thbs4-defizienter Mäuse sowie zum Einfluss von Synoviozyten auf die Gen-Expression in Gelenkknorpelzellen geplant.

Stichworte

  • Cartilage
  • Tissue Engineering

Publikationen

  • Nagel-Heyer, Stephanie and Goepfert, Christiane and Feyerabend, Frank and Petersen, Jan Philipp and Adamietz, Peter and Meenen, Norbert M and Pörtner, Ralf: Bioreactor cultivation of three-dimensional cartilage-carrier-constructs. Bioprocess and biosystems engineering, 27(4): S. 273--280, 2005. , DOI: 10.1007/s00449-005-0419-z
  • Janssen, Rolf and Nagel-Heyer, Stephanie and Goepfert, Christiane and Prtner, Ralf and Toykan, Derya and Krummhauer, Oliver and Morlock, Michael and Adamietz, Peter and Meenen, Norbert M and Kriven, Waltraud M and Kim, Dong-Kyu and Tampieri, Anna and Celotti, Giancarlo: Calcium Phosphate Ceramics as Substrate for Cartilage Cultivation. Ceramic Engineering and Science Proceedings , 25(4): S. 523-528, 2004. , DOI: 10.1002/9780470291191.ch79
  • Nagel-Heyer, S and Janssen, Rolf and Goepfert, C and Adamietz, P and Meenen, N M and Pörtner, R: Cartilage Cultivation on a Calcium Phosphate Ceramic in a Bioreactor System. Key Engineering Materials, 264-268: S. 2119--2122, 2004. , DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.264-268.2119
  • Goepfert, C and Slobodianski, A and Schilling, A F and Adamietz, P and Pörtner, R: Cartilage engineering from mesenchymal stem cells. Advances in biochemical engineering/biotechnology, 123: S. 163-200, 2010. , DOI: 10.1007/10\_2010\_67
  • Lutz, V and Sattler, M and Gallinat, S and Wenck, H and Poertner, R and Fischer, F: Characterization of fibrillar collagen types using multi-dimensional multiphoton laser scanning microscopy. International journal of cosmetic science, 34(2): S. 209-215, 2012. , DOI: 10.1111/j.1468-2494.2012.00705.x
  • Nagel-Heyer, Stephanie and Goepfert, Christiane and Adamietz, Peter and Meenen, Norbert M and Pörtner, Ralf: Cultivation of three-dimensional cartilage-carrier-constructs under reduced oxygen tension. Journal of biotechnology, 121(4): S. 486-497, 2006. , DOI: 10.1016/j.jbiotec.2005.07.026
  • Goepfert, Christiane and Lutz, Vivien and Lünse, Svenja and Kittel, Sabrina and Wiegandt, Katharina and Kammal, Michael and Püschel, Klaus and Pörtner, Ralf: Evaluation of cartilage specific matrix synthesis of human articular chondrocytes after extended propagation on microcarriers by image analysis. The International journal of artificial organs, 33(4): S. 204--218, 2010.
  • Hißnauer, Tim-Nicolas and Baranowsky, Anke and Pestka, Jan M and Streichert, Thomas and Wiegandt, K and Goepfert, C and Beil, Frank Timo and Albers, Joachim and Schulze, Jochen and Ueblacker, Peter and Petersen, Jan-Philipp and Schinke, Thorsten and Meenen, N M and Pörtner, R and Amling, Michael: Identification of molecular markers for articular cartilage. Osteoarthritis and cartilage, 18(12): S. 1630--1638, 2010.
  • Lutz, Vivien and Sattler, Martin and Gallinat, Stefan and Wenck, Horst and Poertner, Ralf and Fischer, Frank: Impact of collagen crosslinking on the second harmonic generation signal and the fluorescence lifetime of collagen autofluorescence. Skin research and technology : official journal of International Society for Bioengineering and the Skin (ISBS) [and] International Society for Digital Imaging of Skin (ISDIS) [and] International Society for Skin Imaging (ISSI), 18(2): S. 168--179, 2012. , DOI: 10.1111/j.1600-0846.2011.00549.x
  • Wiegandt, Katharina and Goepfert, Christiane and Pörtner, Ralf: Improving in vitro generated cartilage-carrier-constructs by optimizing growth factor combination. The open biomedical engineering journal, 1: S. 85-90, 2007. , DOI: 10.2174/1874120700701010085
  • Hussein, M A and Esterl, S and Pörtner, R and Wiegandt, K and Becker, T: Impulse and mass transport in a cartilage bioreactor using the lattice Boltzmann method. International Journal of Computational Fluid Dynamics, 22(5): S. 341--350, 2008. , DOI: 10.1080/10618560802077806
  • Wiegandt, Katharina and Goepfert, Christiane and Richter, Teresa and Fritsch, Daniel and Janßen, Rolf and Pörtner, Ralf: In vitro generation of cartilage-carrier-constructs on hydroxylapatite ceramics with different surface structures. The open biomedical engineering journal, 2: S. 64-70, 2008. , DOI: 10.2174/1874120700802010064
  • Wiegandt, K and Goepfert, C and Pörtner, R and Janssen, R: Interaction of cartilage and ceramic matrix. Advances in biochemical engineering/biotechnology, 126: S. 297--315, 2012. , DOI: 10.1007/10\_2011\_105
  • Meenen, N M and Ueblacker, P and Pörtner, R and Göpfert, C and Nagel-Heyer, S and Petersen, J P and Adamietz, P: Knorpel aus dem Labor - eine Sackgasse?. Arthroskopie, 18(3): S. 245-252, 2005. , DOI: 10.1007/s00142-005-0322-2
  • Petersen, J P and Ueblacker, P and Goepfert, C and Adamietz, P and Baumbach, K and Stork, A and Rueger, J M and Poertner, R and Amling, M and Meenen, N M: Long term results after implantation of tissue engineered cartilage for the treatment of osteochondral lesions in a minipig model. Journal of materials science. Materials in medicine, 19(5): S. 2029-2038, 2008. , DOI: 10.1007/s10856-007-3291-3
  • Hussein, M A and Esterl, S and Pörtner, R and Wiegandt, K and Becker, T: On the lattice Boltzmann method simulation of a two-phase flow bioreactor for artificially grown cartilage cells. Journal of biomechanics, 41(16): S. 3455-3461, 2008. , DOI: 10.1016/j.jbiomech.2008.09.034
  • Nehring, Dirk and Adamietz, Peter and Meenen, Norbert M and Pörtner, Ralf: Perfusion cultures and modelling of oxygen uptake with three-dimensional chondrocyte pellets. Biotechnology Techniques, 13(10): S. 701-706, 1999. , DOI: 10.1023/A:1008967830977
  • Petersen, Jan P and Ruecker, Andreas and von Stechow, Dietrich and Adamietz, Peter and Poertner, Ralf and Rueger, Johannes M and Meenen, Norbert M: Present and Future Therapies of Articular Cartilage Defects. European Journal of Trauma, 29(1): S. 1-10, 2003. , DOI: 10.1007/s00068-003-1215-6
  • Heyland, Jan and Wiegandt, Katharina and Goepfert, Christiane and Nagel-Heyer, Stefanie and Ilinich, Eduard and Schumacher, Udo and Pörtner, Ralf: Redifferentiation of chondrocytes and cartilage formation under intermittent hydrostatic pressure. Biotechnology letters, 28(20): S. 1641-1648, 2006. , DOI: 10.1007/s10529-006-9144-1
  • Nagel-Heyer, Stephanie and Goepfert, Christiane and Morlock, Michael M and Pörtner, Ralf: Relationship between physical, biochemical and biomechanical properties of tissue-engineered cartilage-carrier-constructs. Biotechnology letters, 27(3): S. 187-192, 2005. , DOI: 10.1007/s10529-004-7859-4
  • Pörtner, R and Goepfert, C and Wiegandt, K and Janssen, R and Ilinich, E and Paetzold, H and Eisenbarth, E and Morlock, M: Technical strategies to improve tissue engineering of cartilage-carrier-constructs. Advances in biochemical engineering/biotechnology, 112: S. 145-181, 2009. , DOI: 10.1007/978-3-540-69357-4\_7
  • Pörtner, R and Meenen, N M: Technische Aspekte in regenerativer Medizin und Tissue Engineering von hyalinem Gelenkknorpel. Handchirurgie, Mikrochirurgie, plastische Chirurgie : Organ der Deutschsprachigen Arbeitsgemeinschaft f\ü\r Handchirurgie : Organ der Deutschsprachigen Arbeitsgemeinschaft f\ü\r Mikrochirurgie der Peripheren Nerven und Gef\äße : Organ der Vereinigung der Deutschen Plastischen Chirurgen, 42(6): S. 329-336, 2010. , DOI: 10.1055/s-0030-1252046
  • Paetzold, H and Goepfert, C and Huber, G and Hoenig, E and Portner, R and Schilling, A F and Meenen, N M and Morlock, M M: The development of the collagen fibre network in tissue-engineered cartilage constructs in vivo. Engineered cartilage reorganises fibre network. European cells \&\ materials, 23: S. 209--221, 2012.
  • Kasper, Cornelia and Witte, Frank and Pörtner, Ralf: Tissue Engineering III: Cell - Surface Interactions for Tissue Culture, Jg. 126 von Advances in Biochemical Engineering Biotechnology. Springer Berlin Heidelberg, Berlin Heidelberg, , 2012, http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-28282-9